Ngurtësia

Forma e vetme kristalore e insulinës së ngurtë.

Ngurtësia është një nga katër gjendjet themelore të materies së bashku me lëngun, gazin dhe plazmën. Molekulat në një trup të ngurtë janë të paketuara ngushtë së bashku dhe përmbajnë sasinë më të vogël të energjisë kinetike. Një trup i ngurtë karakterizohet nga ngurtësi strukturore (si në trupat e ngurtë) dhe rezistencë ndaj një force të aplikuar në sipërfaqe. Ndryshe nga një lëng, një objekt i ngurtë nuk rrjedh për të marrë formën e enës së tij dhe as nuk zgjerohet për të mbushur të gjithë vëllimin e disponueshëm si një gaz. Atomet në një trup të ngurtë janë të lidhur me njëri-tjetrin, ose në një rrjetë të rregullt gjeometrike (ngurtësira kristalore, të cilat përfshijnë metale dhe akull të zakonshëm), ose në mënyrë të parregullt (një e ngurtë amorfe siç është xhami i zakonshëm i dritares). Lëndët e ngurta nuk mund të kompresohen me presion të vogël ndërsa gazrat mund të kompresohen me presion të vogël sepse molekulat në një gaz janë të paketuara lirshëm.

Dega e fizikës që merret me trupat e ngurtë quhet fizika e gjendjes së ngurtë dhe është dega kryesore e fizikës së lëndës së kondensuar (e cila përfshin gjithashtu lëngjet). Shkenca e materialeve merret kryesisht me vetitë fizike dhe kimike të trupave të ngurtë. Kimia e gjendjes së ngurtë merret veçanërisht me sintezën e materialeve të reja, si dhe me shkencën e identifikimit dhe përbërjen kimike .

Përshkrimi mikroskopik

Modeli i atomeve të paketuara ngushtë brenda një trupi të ngurtë kristalor.

Atomet, molekulat ose jonet që përbëjnë trupat e ngurtë mund të renditen në një model të rregullt përsëritës ose në mënyrë të parregullt. Materialet, përbërësit e të cilëve janë të rregulluar në një model të rregullt, njihen si kristale. Në disa raste, porositja e rregullt mund të vazhdojë e pandërprerë në një shkallë të madhe, për shembull diamante, ku çdo diamant është një kristal i vetëm. Objektet e ngurta që janë mjaft të mëdha për t'u parë dhe për t'u trajtuar rrallë përbëhen nga një kristal i vetëm, por përkundrazi përbëhen nga një numër i madh kristalesh të vetme, të njohura si kristalite, madhësia e të cilëve mund të ndryshojë nga disa nanometra në disa metra. Materialet e tilla quhen polikristaline. Pothuajse të gjitha metalet e zakonshme, dhe shumë qeramika, janë polikristaline.

Paraqitja skematike e një forme xhami të rastësishme në rrjet (majtas) dhe rrjetë kristalore e renditur (djathtas) me përbërje kimike identike.

Në materialet e tjera, nuk ka rend me rreze të gjatë në pozicionin e atomeve. Këto lëndë të ngurta njihen si lëndë të ngurta amorfe ; Shembujt përfshijnë polistirenin dhe xhamin.

Nëse një trup i ngurtë është kristalor apo amorf varet nga materiali i përfshirë dhe kushtet në të cilat është formuar. Lëndët e ngurta që formohen nga ftohja e ngadaltë do të priren të jenë kristalore, ndërsa trupat e ngurtë që ngrihen shpejt kanë më shumë gjasa të jenë amorfe. Po kështu, struktura specifike kristalore e adoptuar nga një solid kristalor varet nga materiali i përfshirë dhe nga mënyra se si u formua.

Ndërsa shumë objekte të zakonshme, të tilla si një kub akulli ose një monedhë, janë kimikisht identike në të gjithë, shumë materiale të tjera të zakonshme përfshijnë një numër substancash të ndryshme të paketuara së bashku. Për shembull, një shkëmb tipik është një agregat i disa mineraleve dhe mineraloideve të ndryshme, pa përbërje kimike specifike. Druri është një material organik natyral që përbëhet kryesisht nga fibra celuloze të ngulitura në një matricë të linjinës organike. Në shkencën e materialeve, përbërjet e më shumë se një materiali përbërës mund të projektohen për të pasur vetitë e dëshiruara.

Klasat e lëndëve të ngurta

Forcat midis atomeve në një trup të ngurtë mund të marrin forma të ndryshme. Për shembull, një kristal i klorurit të natriumit (kripë e zakonshme) përbëhet nga natriumi jonik dhe klori, të cilat mbahen së bashku nga lidhjet jonike . Në diamant ose silikon, atomet ndajnë elektrone dhe formojnë lidhje kovalente. Në metale, elektronet ndahen në lidhjen metalike . Disa lëndë të ngurta, veçanërisht shumica e komponimeve organike, mbahen së bashku me forcat van der Waals që rezultojnë nga polarizimi i resë elektronike të ngarkesës në secilën molekulë. Dallimet midis llojeve të lëndëve të ngurta rrjedhin nga ndryshimet midis lidhjes së tyre.

Metalet

Artikulli kryesor: Metali

Kulmi i ndërtesës Chrysler të Nju Jorkut, ndërtesa më e lartë në botë me tulla me çelik, është e veshur me çelik inox.

Metalet zakonisht janë përçues të fortë, të dendur dhe të mirë si të elektricitetit ashtu edhe të nxehtësisë . Pjesa më e madhe e elementeve në tabelën periodike, ato në të majtë të një vije diagonale të tërhequr nga bor në polonium, janë metale. Përzierjet e dy ose më shumë elementeve në të cilat përbërësi kryesor është një metal njihen si aliazhe .

Njerëzit kanë përdorur metale për qëllime të ndryshme që nga kohërat parahistorike. Forca dhe besueshmëria e metaleve ka çuar në përdorimin e tyre të gjerë në ndërtimin e ndërtesave dhe strukturave të tjera, si dhe në shumicën e automjeteve, shumë pajisje dhe mjete, tuba, shenja rrugore dhe shina hekurudhore. Hekuri dhe alumini janë dy metalet strukturore më të përdorura. Ato janë gjithashtu metalet më të bollshme në koren e Tokës . Hekuri përdoret më së shpeshti në formën e një aliazhi, çeliku, i cili përmban deri në 2.1% karbon, duke e bërë atë shumë më të fortë se hekuri i pastër.

Meqenëse metalet janë përcjellës të mirë të energjisë elektrike, ato janë të vlefshme në pajisjet elektrike dhe për bartjen e një rryme elektrike në distanca të gjata me pak humbje ose shpërndarje të energjisë. Kështu, rrjetet e energjisë elektrike mbështeten në kabllot metalike për të shpërndarë energjinë elektrike. Sistemet elektrike shtëpiake, për shembull, janë të lidhura me bakër për vetitë e tij të mira përcjellëse dhe përpunimin e lehtë. Përçueshmëria e lartë termike e shumicës së metaleve i bën ato të dobishme edhe për enët e gatimit në soba.

Studimi i elementeve metalikë dhe lidhjeve të tyre përbën një pjesë të konsiderueshme të fushave të kimisë në gjendje të ngurtë, fizikës, shkencës së materialeve dhe inxhinierisë.

Lëndët e ngurta metalike mbahen së bashku nga një densitet i lartë i elektroneve të përbashkëta, të delokalizuara, të njohura si " lidhje metalike ". Në një metal, atomet humbasin lehtësisht elektronet e tyre më të jashtme ("valencë"), duke formuar jone pozitive. Elektronet e lira shpërndahen në të gjithë trupin e ngurtë, i cili mbahet së bashku fort nga ndërveprimet elektrostatike midis joneve dhe resë elektronike. Numri i madh i elektroneve të lira u jep metaleve vlerat e larta të përçueshmërisë elektrike dhe termike. Elektronet e lira gjithashtu parandalojnë transmetimin e dritës së dukshme, duke i bërë metalet të errët, me shkëlqim dhe me shkëlqim.

Modelet më të avancuara të vetive metalike marrin parasysh efektin e bërthamave të joneve pozitive në elektronet e delokalizuara. Meqenëse shumica e metaleve kanë strukturë kristalore, ato jone zakonisht vendosen në një rrjetë periodike. Matematikisht, potenciali i bërthamave jonike mund të trajtohet me modele të ndryshme, më e thjeshta është modeli pothuajse i lirë i elektroneve .

Mineralet

Një koleksion i mineraleve të ndryshme.

Artikulli kryesor: Minerali

Mineralet janë lëndë të ngurta natyrale të formuara përmes proceseve të ndryshme gjeologjike nën presione të larta. Për t'u klasifikuar si një mineral i vërtetë, një substancë duhet të ketë një strukturë kristalore me veti fizike uniforme. Mineralet variojnë në përbërje nga elementë të pastër dhe kripëra të thjeshta deri te silikate shumë komplekse me mijëra forma të njohura. Në të kundërt, një mostër shkëmbi është një agregat i rastësishëm i mineraleve dhe/ose mineraloideve dhe nuk ka përbërje kimike specifike. Shumica dërrmuese e shkëmbinjve të kores së Tokës përbëhet nga kuarci (SiO ₂ kristalor), feldspat, mikë, klorit, kaolinë, kalcit, epidot, olivin, augit, hornblende, magnetit, hematit, limonit dhe disa minerale të tjera. Disa minerale, si kuarci, mika ose feldspat janë të zakonshme, ndërsa të tjerët janë gjetur vetëm në disa vende në mbarë botën. Grupi më i madh i mineraleve janë silikatet (shumica e shkëmbinjve janë ≥95% silikate), të cilat përbëhen kryesisht nga silikoni dhe oksigjeni, me shtimin e joneve të aluminit, magnezit, hekurit, kalciumit dhe metaleve të tjera.

Qeramika

Si₃N₄ pjesë mbajtëse qeramike

Artikulli kryesor: Qeramika

Lëndët e ngurta qeramike përbëhen nga komponime inorganike, zakonisht okside të elementeve kimike. Ato janë kimikisht inerte dhe shpesh janë në gjendje të përballojnë erozionin kimik që ndodh në një mjedis acid ose kaustik. Qeramika në përgjithësi mund të përballojë temperaturat e larta që variojnë nga 1000 në 1600 °C (1800 deri në 3000 °F). Përjashtimet përfshijnë materialet inorganike jo-okside, të tilla si nitridet, boridet dhe karbidet .

Lëndët e para tradicionale të qeramikës përfshijnë mineralet e argjilës si kaoliniti, materialet më të fundit përfshijnë oksid alumini ( alumin ). Materialet moderne qeramike, të cilat klasifikohen si qeramika të avancuara, përfshijnë karabit silikoni dhe karabit tungsteni . Të dyja vlerësohen për rezistencën e tyre ndaj gërryerjes, dhe për këtë arsye gjejnë përdorim në aplikime të tilla si pllakat e konsumit të pajisjeve dërrmuese në operacionet e minierave.

Shumica e materialeve qeramike, të tilla si alumini dhe komponimet e saj, janë formuar nga pluhurat e imta, duke prodhuar një mikrostrukturë polikristaline me kokrriza të imta që është e mbushur me qendra shpërndarjeje të dritës të krahasueshme me gjatësinë e valës së dritës së dukshme . Kështu, ato janë përgjithësisht materiale opake, në krahasim me materialet transparente . Teknologjia e fundit në shkallë nano (p.sh. sol-gel ) ka bërë, megjithatë, të mundur prodhimin e qeramikës transparente polikristaline si alumini transparent dhe komponimet e aluminit për aplikime të tilla si lazerët me fuqi të lartë. Qeramika e avancuar përdoret gjithashtu në industrinë e mjekësisë, elektrike dhe elektronike.

Inxhinieria qeramike është shkenca dhe teknologjia e krijimit të materialeve, pjesëve dhe pajisjeve qeramike në gjendje të ngurtë. Kjo bëhet ose nga veprimi i nxehtësisë, ose, në temperatura më të ulëta, duke përdorur reaksionet e precipitimit nga tretësirat kimike. Termi përfshin pastrimin e lëndëve të para, studimin dhe prodhimin e përbërjeve kimike në fjalë, formimin e tyre në përbërës dhe studimin e strukturës, përbërjes dhe vetive të tyre.

Mekanikisht, materialet qeramike janë të brishta, të forta, të forta në shtypje dhe të dobëta në prerje dhe tension. Materialet e brishtë mund të shfaqin rezistencë të konsiderueshme në tërheqje duke mbështetur një ngarkesë statike. Fortësia tregon se sa energji mund të thithë një material përpara dështimit mekanik, ndërsa qëndrueshmëria e thyerjes (e shënuar K _Ic) përshkruan aftësinë e një materiali me të meta mikrostrukturore të qenësishme për t'i rezistuar thyerjes nëpërmjet rritjes dhe përhapjes së çarjes. Nëse një material ka një vlerë të madhe të rezistencës ndaj thyerjes, parimet bazë të mekanikës së thyerjes sugjerojnë se ai ka shumë të ngjarë t'i nënshtrohet thyerjes duktile. Thyerja e brishtë është shumë karakteristike për shumicën e materialeve qeramike dhe qelq-qeramike që zakonisht shfaqin vlera të ulëta (dhe jokonsistente) të K _Ic.

Për një shembull të aplikimeve të qeramikës, fortësia ekstreme e zirkonit përdoret në prodhimin e teheve të thikës, si dhe në veglat e tjera prerëse industriale. Qeramika të tilla si alumini, karabit bor dhe karabit silikoni janë përdorur në jelekët antiplumb për të zmbrapsur zjarrin e pushkëve të kalibrit të madh. Pjesët e nitridit të silikonit përdoren në kushineta me top qeramike, ku fortësia e tyre e lartë i bën ato rezistente ndaj konsumit. Në përgjithësi, qeramika është gjithashtu kimikisht rezistente dhe mund të përdoret në mjedise të lagështa ku kushinetat e çelikut do të jenë të ndjeshme ndaj oksidimit (ose ndryshkut).

Si një shembull tjetër i aplikimeve qeramike, në fillim të viteve 1980, Toyota hulumtoi prodhimin e një motori qeramik adiabatik me një temperaturë funksionimi mbi 6000 °F (3300 °C). Motorët qeramikë nuk kërkojnë një sistem ftohjeje dhe për këtë arsye lejojnë një reduktim të madh të peshës dhe rrjedhimisht efikasitet më të madh të karburantit. Në një motor metalik konvencional, pjesa më e madhe e energjisë së çliruar nga karburanti duhet të shpërndahet si nxehtësi e humbur në mënyrë që të parandalohet shkrirja e pjesëve metalike. Po punohet gjithashtu në zhvillimin e pjesëve qeramike për motorët e turbinave me gaz. Motorët e turbinave të bëra me qeramikë mund të funksionojnë në mënyrë më efikase, duke i dhënë avionëve një rreze dhe ngarkesë më të madhe për një sasi të caktuar karburanti. Megjithatë, motorë të tillë nuk janë në prodhim, sepse prodhimi i pjesëve qeramike me saktësi dhe qëndrueshmëri të mjaftueshme është i vështirë dhe i kushtueshëm. Metodat e përpunimit shpesh rezultojnë në një shpërndarje të gjerë të defekteve mikroskopike që shpesh luajnë një rol të dëmshëm në procesin e sinterimit, duke rezultuar në përhapjen e çarjeve dhe në dështimin përfundimtar mekanik.

Qeramikë qelqi

Një pllakë gatimi qelqi-qeramike me qëndrueshmëri të lartë me zgjerim të papërfillshëm termik .

Materialet qelqi-qeramike ndajnë shumë veti si me gotat jo kristalore ashtu edhe me qeramikën kristalore . Ato formohen si një gotë, dhe më pas kristalizohen pjesërisht nga trajtimi termik, duke prodhuar faza amorfe dhe kristalore në mënyrë që kokrrat kristalore të futen brenda një faze ndërgranulare jo kristalore.

Qelqi-qeramika përdoret për të bërë enë gatimi (fillimisht të njohura me emrin e markës CorningWare ) dhe soba që kanë rezistencë të lartë ndaj goditjes termike dhe përshkueshmëri jashtëzakonisht të ulët ndaj lëngjeve. Koeficienti negativ i zgjerimit termik të fazës kristalore qeramike mund të balancohet me koeficientin pozitiv të fazës xhami. Në një pikë të caktuar (~70% kristalore) qelqi-qeramika ka një koeficient neto të zgjerimit termik afër zeros. Ky lloj qelqi-qeramike shfaq veti të shkëlqyera mekanike dhe mund të mbajë ndryshime të përsëritura dhe të shpejta të temperaturës deri në 1000 °C.

Qeramika e qelqit mund të ndodhë gjithashtu natyrshëm kur rrufeja godet kokrrat kristalore (p.sh. kuarci) që gjenden në shumicën e rërës së plazhit. Në këtë rast, nxehtësia ekstreme dhe e menjëhershme e vetëtimës (~ 2500 °C) krijon struktura të zbrazëta, të degëzuara si rrënjë të quajtura fulgurit nëpërmjet shkrirjes .

Lëndët e ngurta organike

Fijet individuale të tulit të drurit në këtë mostër janë rreth 10 µm në diametër.

Kimia organike studion strukturën, vetitë, përbërjen, reaksionet dhe përgatitjen me sintezë (ose mjete të tjera) të përbërjeve kimike të karbonit dhe hidrogjenit, të cilat mund të përmbajnë çdo numër elementësh të tjerë si azoti, oksigjeni dhe halogjenet: fluori, klori, brom dhe jod. Disa komponime organike mund të përmbajnë edhe elementet fosfor ose squfur . Shembuj të lëndëve të ngurta organike përfshijnë drurin, dyllin parafine, naftalinën dhe një shumëllojshmëri të gjerë polimeresh dhe plastikë .

Druri

Artikulli kryesor: Druri

Druri është një material organik natyral që përbëhet kryesisht nga fibra celuloze të ngulitura në një matricë linjine. Për sa i përket vetive mekanike, fibrat janë të forta në tension, dhe matrica e linjinës i reziston kompresimit. Kështu, druri ka qenë një material i rëndësishëm ndërtimi që kur njerëzit filluan të ndërtonin strehimore dhe të përdornin varka. Druri që do të përdoret për punë ndërtimore njihet zakonisht si lëndë druri ose lëndë druri. Në ndërtim, druri nuk është vetëm një material strukturor, por përdoret gjithashtu për të formuar kallëp për beton.

Materialet me bazë druri përdoren gjithashtu gjerësisht për paketim (p.sh. kartoni) dhe letër, të cilat të dyja krijohen nga tuli i rafinuar. Proceset kimike të tulëzimit përdorin një kombinim të temperaturës së lartë dhe kimikateve alkaline (kraft) ose acidike (sulfite) për të thyer lidhjet kimike të linjinës përpara se ta digjen.

Polimeri

Imazhi STM i zinxhirëve supramolekularë të vetë-montuar të gjysmëpërçuesit organik quinacridone në grafit .

Artikulli kryesor: Polimeri

Një veti e rëndësishme e karbonit në kiminë organike është se ai mund të formojë komponime të caktuara, molekulat individuale të të cilave janë të afta të lidhen me njëra-tjetrën, duke formuar kështu një zinxhir ose një rrjet. Procesi quhet polimerizim dhe zinxhirët ose rrjetet polimere, ndërsa përbërja burimore është një monomer. Ekzistojnë dy grupe kryesore polimerësh: ato të prodhuara artificialisht quhen polimere industriale ose polimere sintetike (plastikë) dhe ato që ndodhin natyrshëm si biopolimerë.

Monomerët mund të kenë zëvendësues të ndryshëm kimikë ose grupe funksionale, të cilat mund të ndikojnë në vetitë kimike të përbërjeve organike, si tretshmëria dhe reaktiviteti kimik, si dhe vetitë fizike, si fortësia, dendësia, forca mekanike ose në tërheqje, rezistenca ndaj gërryerjes, nxehtësia. rezistenca, transparenca, ngjyra, etj. Në proteina, këto dallime i japin polimerit aftësinë për të adoptuar një konformacion biologjikisht aktiv në preferencë ndaj të tjerëve.

Artikuj shtëpiake të bëra nga lloje të ndryshme plastike .

Njerëzit kanë përdorur polimere organike natyrale për shekuj me radhë në formën e dyllit dhe guaskës, e cila klasifikohet si një polimer termoplastik. Një polimer bimor i quajtur celulozë siguroi rezistencën në tërheqje për fibrat natyrore dhe litarët, dhe në fillim të shekullit të 19-të, goma natyrale ishte në përdorim të gjerë. Polimeret janë lëndët e para (rrëshirat) që përdoren për të bërë ato që zakonisht quhen plastikë. Plastika është produkti përfundimtar, i krijuar pasi një ose më shumë polimere ose aditivë janë shtuar në një rrëshirë gjatë përpunimit, e cila më pas formohet në një formë përfundimtare. Polimeret që kanë ekzistuar dhe që janë në përdorim të gjerë, përfshijnë polietileni me bazë karboni, polipropileni, klorur polivinil, polistireni, najlonet, poliesterët, akrilikët, poliuretani dhe polikarbonatet dhe silikonet me bazë silikoni. Plastika në përgjithësi klasifikohet si plastikë "mall", "specialitet" dhe "inxhinierike".

Materiale të përbëra

Simulimi i pjesës së jashtme të anijes hapësinore pasi nxehet deri në mbi 1500 °C gjatë rihyrjes

Një pëlhurë me fije karboni të endura, një element i zakonshëm në materialet e përbëra

Artikulli kryesor: Material kompozit

Materialet e përbëra përmbajnë dy ose më shumë faza makroskopike, njëra prej të cilave shpesh është qeramike. Për shembull, një matricë e vazhdueshme dhe një fazë e shpërndarë e grimcave ose fibrave qeramike.

Aplikimet e materialeve të përbëra variojnë nga elementët strukturorë si betoni i përforcuar me çelik, te pllakat termoizoluese që luajnë një rol kyç dhe integral në sistemin e mbrojtjes termike të anijes hapësinore të NASA-s, i cili përdoret për të mbrojtur sipërfaqen e anijes nga nxehtësia e re -hyrja në atmosferën e Tokës. Një shembull është karboni-karboni i përforcuar (RCC), materiali gri i hapur që i reziston temperaturave të rihyrjes deri në 1510 °C (2750 °F) dhe mbron kapakun e hundës dhe skajet kryesore të krahëve të Space Shuttle. RCC është një material kompozit i laminuar i bërë nga pëlhurë prej pëlhure prej fije artificiale grafiti dhe i ngopur me një rrëshirë fenolike . Pas ngurtësimit në temperaturë të lartë në një autoklavë, laminati pirolizohet për të kthyer rrëshirën në karbon, ngopet me alkool furfural në një dhomë vakumi dhe kurohet/pirolizohet për të kthyer alkoolin furfural në karbon. Për të siguruar rezistencë oksidimi për aftësinë e ripërdorimit, shtresat e jashtme të RCC konvertohen në karabit silikoni.

Shembuj të brendshëm të kompoziteve mund të shihen në këllëfët "plastikë" të televizorëve, telefonave celularë e kështu me radhë. Këto veshje plastike janë zakonisht një përbërje e përbërë nga një matricë termoplastike si akrilonitrili butadien stiren (ABS) në të cilin shkumësa karbonat kalciumi, talk, fibra qelqi ose fibra karboni janë shtuar për forcë, masë ose shpërndarje elektro-statike. Këto shtesa mund të quhen fibra përforcuese ose dispersues, në varësi të qëllimit të tyre.

Kështu, materiali i matricës rrethon dhe mbështet materialet përforcuese duke ruajtur pozicionet e tyre relative. Përforcimet japin vetitë e tyre të veçanta mekanike dhe fizike për të përmirësuar vetitë e matricës. Një sinergjik prodhon veti materiale të padisponueshme nga materialet individuale përbërëse, ndërsa shumëllojshmëria e gjerë e materialeve matricë dhe forcuese i siguron projektuesit zgjedhjen e një kombinimi optimal.

Gjysmë Përcjellësi

Çip gjysmëpërçues mbi nënshtresën kristalore të silikonit.

Artikulli kryesor: Gjysmëpërcjellësi

Gjysmëpërçuesit janë materiale që kanë një rezistencë (dhe përçueshmëri) elektrike ndërmjet asaj të përçuesve metalikë dhe izolatorëve jo metalikë. Ato mund të gjenden në tabelën periodike duke lëvizur diagonalisht poshtë djathtas nga bor. Ata ndajnë përçuesit elektrikë (ose metalet, në të majtë) nga izolatorët (në të djathtë).

Pajisjet e bëra nga materiale gjysmëpërçuese janë themeli i elektronikës moderne, duke përfshirë radion, kompjuterët, telefonat, etj. Pajisjet gjysmëpërçuese përfshijnë tranzistorin, qelizat diellore, diodat dhe qarqet e integruara. Panelet diellore fotovoltaike janë pajisje të mëdha gjysmëpërçuese që konvertojnë drejtpërdrejt dritën në energji elektrike.

Në një përcjellës metalik, rryma bartet nga rrjedha e elektroneve, por në gjysmëpërçuesit, rryma mund të bartet ose nga elektronet ose nga " vrimat " e ngarkuara pozitivisht në strukturën e brezit elektronik të materialit. Materialet gjysmëpërçuese të zakonshme përfshijnë silicin, germaniumin dhe arsenidin e galiumit .

Nanoteknologjia

Artikulli kryesor: Nanoteknologjia

Silikoni me shumicë (majtas) dhe nanopluhur silikoni (djathtas)

Shumë lëndë të ngurta tradicionale shfaqin veti të ndryshme kur tkurren në madhësi nanometërsh. Për shembull, nanogrimcat e arit zakonisht të verdhë dhe silikonit gri kanë ngjyrë të kuqe; Nanogrimcat e arit shkrihen në temperatura shumë më të ulëta (~300 °C për 2,5 madhësia nm) sesa pllakat e arit (1064 °C); dhe nanotelat metalikë janë shumë më të fortë se metalet përkatëse. Sipërfaqja e lartë e nanogrimcave i bën ato jashtëzakonisht tërheqëse për aplikime të caktuara në fushën e energjisë. Për shembull, metalet e platinit mund të ofrojnë përmirësime si katalizatorët e karburantit të automobilave, si dhe qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit (PEM). Gjithashtu, oksidet e qeramikës (ose cermetat) e lantanit, ceriumit, manganit dhe nikelit tani janë duke u zhvilluar si qeliza karburanti me oksid të ngurtë (SOFC). Nanogrimcat e litiumit, litium-titanatit dhe tantalit po aplikohen në bateritë e joneve të litiumit. Nanogrimcat e silikonit janë treguar se zgjerojnë në mënyrë dramatike kapacitetin e ruajtjes së baterive të joneve të litiumit gjatë ciklit të zgjerimit/tkurrjes. Nanotelat e silikonit qarkullojnë pa degradim të konsiderueshëm dhe paraqesin potencialin për t'u përdorur në bateritë me kohë të zgjeruara të ruajtjes. Nanogrimcat e silikonit po përdoren gjithashtu në forma të reja të qelizave të energjisë diellore. Depozitimi i filmit të hollë të pikave kuantike të silikonit në nënshtresën polikristaline të silikonit të një qelize fotovoltaike (solare) rrit prodhimin e tensionit deri në 60% duke fluoreskuar dritën hyrëse përpara kapjes. Këtu përsëri, sipërfaqja e nanogrimcave (dhe filmave të hollë) luan një rol kritik në maksimizimin e sasisë së rrezatimit të absorbuar.

Biomaterialet

Artikulli kryesor: Biomaterialet

Fijet e kolagjenit të kockave të endura

Shumë materiale natyrore (ose biologjike) janë përbërje komplekse me veti mekanike të jashtëzakonshme. Këto struktura komplekse, të cilat janë ngritur nga qindra milionë vjet evolucion, janë shkencëtarët frymëzues të materialeve në hartimin e materialeve të reja. Karakteristikat e tyre përcaktuese përfshijnë hierarkinë strukturore, multifunksionalitetin dhe aftësinë vetë-shëruese. Vetë-organizimi është gjithashtu një tipar themelor i shumë materialeve biologjike dhe mënyra me të cilën strukturat janë mbledhur nga niveli molekular e lart. Kështu, vetë-montimi po shfaqet si një strategji e re në sintezën kimike të biomaterialeve me performancë të lartë.

Vetitë fizike

Vetitë fizike të elementeve dhe komponimeve që ofrojnë dëshmi përfundimtare të përbërjes kimike përfshijnë erën, ngjyrën, vëllimin, densitetin (masën për njësi vëllimi), pikën e shkrirjes, pikën e vlimit, kapacitetin e nxehtësisë, formën fizike dhe formën në temperaturën e dhomës (të ngurtë, të lëngët ose të gaztë ; kristalet kubike, trigonale, etj.), fortësia, poroziteti, indeksi i përthyerjes dhe shumë të tjera. Ky seksion diskuton disa veti fizike të materialeve në gjendje të ngurtë.

Mekanike

Formimi shkëmbor i granitit në Patagoninë Kiliane. Ashtu si shumica e mineraleve inorganike të formuara nga oksidimi në atmosferën e Tokës, graniti përbëhet kryesisht nga silicë kristalore SiO ₂ dhe alumin Al ₂ O ₃ .

Vetitë mekanike të materialeve përshkruajnë karakteristika të tilla si forca dhe rezistenca e tyre ndaj deformimit. Për shembull, trarët e çelikut përdoren në ndërtim për shkak të forcës së tyre të lartë, që do të thotë se ata as nuk thyhen dhe as përkulen ndjeshëm nën ngarkesën e aplikuar.

Vetitë mekanike përfshijnë elasticitetin, plasticitetin, qëndrueshmërinë në tërheqje, forcën në shtypje, rezistencën në prerje, rezistencën ndaj thyerjes, duktilitetin (të ulët në materiale të brishtë) dhe fortësinë e dhëmbëzimit. Mekanika e ngurtë është studimi i sjelljes së lëndës së ngurtë nën veprime të jashtme siç janë forcat e jashtme dhe ndryshimet e temperaturës.

Një trup i ngurtë nuk shfaq rrjedhje makroskopike, siç bëjnë lëngjet. Çdo shkallë e largimit nga forma e saj origjinale quhet deformim . Përqindja e deformimit me madhësinë origjinale quhet tendosje. Nëse sforcimi i aplikuar është mjaft i ulët, pothuajse të gjitha materialet e ngurta sillen në atë mënyrë që sforcimi të jetë drejtpërdrejt proporcional me sforcimin ( ligji i Hooke ). Koeficienti i proporcionit quhet moduli i elasticitetit ose moduli i Young-it. Ky rajon i deformimit njihet si rajoni linear elastik . Tre modele mund të përshkruajnë se si një trup i ngurtë reagon ndaj një stresi të aplikuar:

• Elasticiteti - Kur një stres i aplikuar hiqet, materiali kthehet në gjendjen e tij të padeformuar.
• Viskoelasticiteti - Këto janë materiale që sillen në mënyrë elastike, por gjithashtu kanë amortizues . Kur sforcimi i aplikuar hiqet, duhet të punohet kundër efekteve të amortizimit dhe të shndërrohet në nxehtësi brenda materialit. Kjo rezulton në një lak histerezë në lakoren stres-deformim. Kjo nënkupton që përgjigja mekanike ka një varësi nga koha.
• Plasticiteti - Materialet që sillen në mënyrë elastike zakonisht e bëjnë këtë kur sforcimi i aplikuar është më i vogël se vlera e rendimentit. Kur sforcimi është më i madh se stresi i rrjedhjes, materiali sillet në mënyrë plastike dhe nuk kthehet në gjendjen e mëparshme. Kjo do të thotë, deformimi i pakthyeshëm plastik (ose rrjedhja viskoze) ndodh pas rendimentit që është i përhershëm.

Shumë materiale bëhen më të dobëta në temperatura të larta. Materialet që ruajnë forcën e tyre në temperatura të larta, të quajtura materiale zjarrduruese, janë të dobishme për shumë qëllime. Për shembull, qelqi-qeramikat janë bërë jashtëzakonisht të dobishme për gatimin në tavolinë, pasi ato shfaqin veti të shkëlqyera mekanike dhe mund të mbajnë ndryshime të përsëritura dhe të shpejta të temperaturës deri në 1000 °C. Në industrinë e hapësirës ajrore, materialet me performancë të lartë të përdorura në projektimin e pjesëve të jashtme të avionëve dhe/ose të anijeve kozmike duhet të kenë një rezistencë të lartë ndaj goditjes termike. Kështu, fibrat sintetike të petëzuara nga polimere organike dhe materiale të përbërë polimer/qeramike/metal dhe polimere të përforcuar me fibra tani po projektohen me këtë qëllim.

Termike

Mënyrat normale të dridhjeve atomike në një trup të ngurtë kristalor .

Për shkak se trupat e ngurtë kanë energji termike, atomet e tyre vibrojnë rreth pozicioneve mesatare fikse brenda rrjetës së renditur (ose të çrregullt). Spektri i dridhjeve të rrjetës në një rrjet kristalor ose xhami siguron themelin për teorinë kinetike të trupave të ngurtë . Kjo lëvizje ndodh në nivelin atomik, dhe kështu nuk mund të vëzhgohet ose zbulohet pa pajisje shumë të specializuara, siç është ajo e përdorur në spektroskopi .

Vetitë termike të trupave të ngurtë përfshijnë përçueshmërinë termike, e cila është veti e një materiali që tregon aftësinë e tij për të përcjellë nxehtësinë. Lëndët e ngurta gjithashtu kanë një kapacitet specifik të nxehtësisë, që është kapaciteti i një materiali për të ruajtur energjinë në formën e nxehtësisë (ose dridhjeve të rrjetës termike).

Elekrtike

Video of superconducting levitation of YBCO

Vetitë elektrike përfshijnë si rezistencën dhe përçueshmërinë elektrike, forcën dielektrike, përshkueshmërinë elektromagnetike dhe lejueshmërinë. Përçuesit elektrikë të tillë si metalet dhe lidhjet janë në kontrast me izoluesit elektrikë si gotat dhe qeramika. Gjysmëpërçuesit sillen diku në mes. Ndërsa përçueshmëria në metale shkaktohet nga elektronet, si elektronet ashtu edhe vrimat kontribuojnë në rrymën në gjysmëpërçues. Përndryshe, jonet mbështesin rrymën elektrike në përçuesit jonikë .

Shumë materiale gjithashtu shfaqin superpërçueshmëri në temperatura të ulëta; ato përfshijnë elementë metalikë si kallaji dhe alumini, lidhje të ndryshme metalike, disa gjysmëpërçues shumë të dopuar dhe qeramika të caktuara. Rezistenca elektrike e shumicës së përçuesve elektrikë (metalik) në përgjithësi zvogëlohet gradualisht me uljen e temperaturës, por mbetet e kufizuar. Në një superpërçues, megjithatë, rezistenca bie papritur në zero kur materiali ftohet nën temperaturën e tij kritike. Një rrymë elektrike që rrjedh në një lak me tela superpërçues mund të vazhdojë pafundësisht pa asnjë burim energjie.

Një dielektrik, ose izolues elektrik, është një substancë që është shumë rezistente ndaj rrjedhës së rrymës elektrike. Një dielektrik, siç është plastika, tenton të përqendrojë një fushë elektrike të aplikuar brenda vetes, e cila veçori përdoret në kondensatorë. Një kondensator është një pajisje elektrike që mund të ruajë energjinë në fushën elektrike midis një çifti përcjellësish të vendosura ngushtë (të quajtura 'pllaka'). Kur aplikohet tension në kondensator, ngarkesat elektrike me madhësi të barabartë, por me polaritet të kundërt, ndërtohen në secilën pllakë. Kondensatorët përdoren në qarqet elektrike si pajisje për ruajtjen e energjisë, si dhe në filtra elektronikë për të dalluar sinjalet me frekuencë të lartë dhe frekuencë të ulët.

Elektromekanike

Piezoelektriciteti është aftësia e kristaleve për të gjeneruar një tension në përgjigje të një stresi mekanik të aplikuar. Efekti piezoelektrik është i kthyeshëm në atë që kristalet piezoelektrike, kur i nënshtrohen një tensioni të aplikuar nga jashtë, mund të ndryshojnë formën me një sasi të vogël. Materialet polimer si goma, leshi, flokët, fibra druri dhe mëndafshi shpesh sillen si elektrikë . Për shembull, polimeri poliviniliden fluori (PVDF) shfaq një përgjigje piezoelektrike disa herë më të madhe se kuarci i materialit tradicional piezoelektrik (SiO ₂ kristalor). Deformimi (~0,1%) i përshtatet aplikimeve teknike të dobishme si burimet e tensionit të lartë, altoparlantët, lazerët, si dhe sensorët dhe/ose transduktorët kimikë, biologjikë dhe akusto-optikë.

Optike

Materialet mund të transmetojnë (p.sh. qelqi) ose të reflektojnë (p.sh. metalet) dritën e dukshme.

Shumë materiale do të transmetojnë disa gjatësi vale ndërsa bllokojnë të tjerat. Për shembull, xhami i dritares është transparent ndaj dritës së dukshme, por shumë më pak ndaj shumicës së frekuencave të dritës ultravjollcë që shkaktojnë djegie nga dielli. Kjo veti përdoret për filtrat optikë që zgjedhin frekuencën, të cilët mund të ndryshojnë ngjyrën e dritës së rënë.

Për disa qëllime, si vetitë optike ashtu edhe ato mekanike të një materiali mund të jenë me interes. Për shembull, sensorët në një raketë me rreze infra të kuqe ("kërkuese të nxehtësisë") duhet të mbrohen nga një mbulesë që është transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe . Materiali aktual i zgjedhur për kupolat e raketave të drejtuara me infra të kuqe me shpejtësi të lartë është safiri me një kristal. Transmetimi optik i safirit nuk shtrihet në të vërtetë për të mbuluar të gjithë gamën infra të kuqe të mesme (3–5 μm), por fillon të bjerë në gjatësi vale më të mëdha se afërsisht 4.5 μm në temperaturën e dhomës. Ndërsa forca e safirit është më e mirë se ajo e materialeve të tjera të disponueshme të kupolës infra të kuqe me rreze të mesme në temperaturën e dhomës, ai dobësohet mbi 600 °C. Ekziston një shkëmbim afatgjatë midis brezit optik dhe qëndrueshmërisë mekanike; materialet e reja si qeramika transparente ose nanokompozitet optike mund të ofrojnë performancë të përmirësuar.

Transmetimi i drejtuar i valëve të dritës përfshin fushën e fibrave optike dhe aftësinë e disa syzeve për të transmetuar, njëkohësisht dhe me humbje të ulët intensiteti, një sërë frekuencash (valë përcjellës optik me shumë mënyra) me pak ndërhyrje ndërmjet tyre. Drejtuesit e valëve optike përdoren si komponentë në qarqet optike të integruara ose si medium transmetimi në sistemet e komunikimit optik.

Opto-elektronike

Një qelizë diellore ose një qelizë fotovoltaike është një pajisje që konverton energjinë e dritës në energji elektrike. Në thelb, pajisja duhet të përmbushë vetëm dy funksione: foto-gjenerimin e transportuesve të ngarkesës (elektrone dhe vrima) në një material thithës të dritës dhe ndarjen e transportuesve të ngarkesës në një kontakt përçues që do të transmetojë elektricitetin (e thënë thjesht, duke bartur elektrone largohet përmes një kontakti metalik në një qark të jashtëm). Ky konvertim quhet efekti fotoelektrik, dhe fusha e kërkimit në lidhje me qelizat diellore njihet si fotovoltaikë.

Qelizat diellore kanë shumë aplikime. Ato janë përdorur prej kohësh në situata kur energjia elektrike nga rrjeti nuk është e disponueshme, si p.sh. në sistemet e energjisë në zona të largëta, satelitët në orbitën e Tokës dhe sondat hapësinore, kalkulatorët e dorës, orët e dorës, radiotelefonat në distancë dhe aplikacionet e pompimit të ujit. Kohët e fundit, ato kanë filluar të përdoren në montimet e moduleve diellore (vargje fotovoltaike) të lidhura me rrjetin elektrik përmes një inverteri, që nuk do të funksionojë si një furnizim i vetëm, por si një burim shtesë i energjisë elektrike.

Të gjitha qelizat diellore kërkojnë një material thithës të dritës që gjendet brenda strukturës së qelizës për të thithur fotone dhe për të gjeneruar elektrone nëpërmjet efektit fotovoltaik . Materialet e përdorura në qelizat diellore priren të kenë vetinë e thithjes së preferencës së gjatësive valore të dritës diellore që arrijnë në sipërfaqen e tokës. Disa qeliza diellore janë gjithashtu të optimizuara për thithjen e dritës përtej atmosferës së Tokës.

Fushat e studimit

Fizika e gjendjes së ngurtë

Fizika e gjendjes së ngurtë është studimi i lëndës së ngurtë, ose trupave të ngurtë, përmes metodave të tilla si kimia e gjendjes së ngurtë, mekanika kuantike, kristalografia, elektromagnetizmi dhe metalurgjia. Është dega më e madhe e fizikës së lëndës së kondensuar. Fizika e gjendjes së ngurtë studion se si vetitë në shkallë të gjerë të materialeve të ngurta rrjedhin nga vetitë e tyre në shkallë atomike. Kështu, fizika e gjendjes së ngurtë formon një bazë teorike të shkencës së materialeve. Së bashku me kiminë e gjendjes së ngurtë, ajo gjithashtu ka aplikime të drejtpërdrejta në teknologjinë e transistorëve dhe gjysmëpërçuesve.

Kimia në gjendje të ngurtë

Kimia e gjendjes së ngurtë, e referuar ndonjëherë edhe si kimia e materialeve, është studimi i sintezës, strukturës dhe vetive të materialeve të fazës së ngurtë. Prandaj ka një mbivendosje të fortë me fizikën e gjendjes së ngurtë, mineralogjinë, kristalografinë, qeramikën, metalurgjinë, termodinamikën, shkencën e materialeve dhe elektronikën me fokus në sintezën e materialeve të reja dhe karakterizimin e tyre. Një gamë e larmishme teknikash sintetike, të tilla si metoda qeramike dhe depozitimi kimik i avullit, bëjnë materiale në gjendje të ngurtë. Lëndët e ngurta mund të klasifikohen si kristalore ose amorfe në bazë të natyrës së rendit të pranishëm në rregullimin e grimcave të tyre përbërëse. Përbërjet e tyre elementare, mikrostrukturat dhe vetitë fizike mund të karakterizohen nëpërmjet një sërë metodash analitike.

Shkenca e materialeve

Shkenca e materialeve është një fushë ndërdisiplinore e kërkimit dhe zbulimit të materialeve. Inxhinieria e materialeve është një fushë inxhinierike e gjetjes së përdorimit të materialeve në fusha dhe industri të tjera.

Origjina intelektuale e shkencës së materialeve rrjedh nga Epoka e Iluminizmit, kur studiuesit filluan të përdorin të menduarit analitik nga kimia, fizika dhe inxhinieria për të kuptuar vëzhgimet e lashta, fenomenologjike në metalurgji dhe mineralogji.[14][15] Shkenca e materialeve ende përfshin elemente të fizikës, kimisë dhe inxhinierisë. Si e tillë, fusha është konsideruar prej kohësh nga institucionet akademike si një nënfushë e këtyre fushave të ndërlidhura. Duke filluar në vitet 1940, shkenca e materialeve filloi të njihej më gjerësisht si një fushë specifike dhe e veçantë e shkencës dhe inxhinierisë, dhe universitetet kryesore teknike në mbarë botën krijuan shkolla të dedikuara për studimin e saj.

Shkencëtarët e materialeve theksojnë të kuptuarit se si historia e një materiali (përpunimi) ndikon në strukturën e tij, dhe kështu në vetitë dhe performancën e materialit. Kuptimi i marrëdhënieve përpunim-strukturë-veti quhet paradigma e materialeve. Kjo paradigmë përdoret për të avancuar të kuptuarit në një sërë fushash kërkimore, duke përfshirë nanoteknologjinë, biomaterialet dhe metalurgjinë.

Shkenca e materialeve është gjithashtu një pjesë e rëndësishme e inxhinierisë ligjore dhe analizës së dështimit - duke hetuar materialet, produktet, strukturat ose komponentët, të cilët dështojnë ose nuk funksionojnë siç synohet, duke shkaktuar lëndime personale ose dëmtime në pronë. Hetime të tilla janë çelësi për të kuptuar, për shembull, shkaqet e aksidenteve dhe incidenteve të ndryshme të aviacionit.